Metabolisms un enerģijas pārveide ir šūnu dzīves pamatā. Enerģijas un plastmasas vielmaiņas saistība

Normālai funkcionēšanai, dzīvības uzturēšanas procesu uzturēšanai un noteiktu funkciju veikšanai organismam nepieciešama enerģija. Jebkura procesa plūsma: fiziska, ķīmiska vai informatīva ir iespējama tikai ar efektīvu darbību energoapgādes sistēmas .

Glikoze ir galvenais, bet ne vienīgais substrāts enerģijas ražošanai šūnā. Kopā ar ogļhidrātiem mūsu organisms no pārtikas saņem taukus, olbaltumvielas un citas vielas, kas pēc sadalīšanās var kalpot arī par enerģijas avotiem, pārvēršoties vielās, kas tiek iekļautas šūnā notiekošajās bioķīmiskajās reakcijās.

Fundamentālie pētījumi informācijas teorijas jomā noveda pie jēdziena rašanās informācijas enerģija (vai informācijas ietekmes enerģija), kā atšķirība starp noteiktību un nenoteiktību. Šeit es gribētu atzīmēt, ka šūna patērē un tērē informācijas enerģiju, lai novērstu nenoteiktību katrā dzīves cikla brīdī. Tas noved pie dzīves cikla īstenošanas, nepalielinot entropiju.

Enerģijas vielmaiņas procesu traucējumi dažādu ietekmju ietekmē izraisa neveiksmes atsevišķos posmos un šo neveiksmju rezultātā šūnas dzīvības aktivitātes apakšsistēmas un visa organisma darbības traucējumus. Ja šo traucējumu skaits un izplatība pārsniedz homeostatisko mehānismu kompensācijas iespējas organismā, tad sistēma iziet no kontroles un šūnas pārstāj darboties sinhroni. Ķermeņa līmenī tas izpaužas dažādu patoloģisku stāvokļu veidā.

Tādējādi B1 vitamīna trūkums, kas ir iesaistīts noteiktu enzīmu darbā, izraisa pirovīnskābes oksidācijas bloķēšanu, vairogdziedzera hormonu pārpalikums traucē ATP sintēzi utt. Miokarda infarkta, saindēšanās ar oglekļa monoksīdu vai saindēšanās ar kālija cianīdu nāves gadījumi ir saistīti arī ar šūnu elpošanas procesa bloķēšanu, kavējot vai atvienojot secīgas reakcijas. Daudzu baktēriju toksīnu darbība ir netieša, izmantojot līdzīgus mehānismus.

Tādējādi šūnas, audu, orgāna, orgānu sistēmas vai organisma kā sistēmas funkcionēšanu atbalsta pašregulācijas mehānismi, kuru optimālu norisi savukārt nodrošina biofizikālie, bioķīmiskie, enerģētiskie un informācijas procesi.

Literatūra

1. Biofizika: mācību grāmata. studentiem augstāks mācību grāmata iestādes. – M.: Humāns. ed. VLADOS centrs, 1999. – 288 lpp.
2. Vinčestera A. Mūsdienu bioloģijas pamati / Tulk. no angļu valodas M.D. Grozdovojs. – M.: Mir, 1967. – 328 lpp., ill.
3. Robertis E. de, Novinsky V., Saez F. Šūnu bioloģija / Red. S.Ya. Zalkinds; Per. no angļu valodas A.V. Mihejeva, V.I. Samoilova, I.V. Tsoglina, Yu.A. Šaronova. – M.: Mir, 1973. – 488 lpp.
4. Stratanovičs R.L. Informācijas teorija. – M.: Sov. radio, 1975. – 424 lpp.
5. Cilvēka fizioloģija: mācību grāmata / Red. V.M. Smirnova. – M.: Medicīna, 2001. – 608 lpp., ill.
6. Fiziskā enciklopēdiskā vārdnīca / Ch. ed. A.M. Prohorovs. – M.: Sov. enciklopēdija, 1983. – 928 lpp., ill.
7. Atkins P. Kārtība un nekārtība dabā: Trans. no angļu valodas; Priekšvārds DIENVIDI. Rudnijs. – M.: Mir, 1987. – 224 lpp., ill.
8. Jusupovs G.A. Enerģētikas informācijas medicīna. Homeopātija. Elektropunktūra pēc R. Voll. – M.: Izdevniecība “Moscow News”, 2000 – 331 lpp., ill.

Fototrofiskajos organismos fotosintēzes procesā gaismas enerģija tiek pārvērsta sarežģītu organisko vielu ķīmiskajā enerģijā, kuras pēc tam tiek iekļautas elpošanas reakcijās un tiek bioloģiski oksidētas. Elpošanas laikā ievērojama daļa no organisko vielu oksidācijas enerģijas tiek izmantota, veidojot ATP un citus augstas enerģijas savienojumus, ar kuru līdzdalību pēc tam tiek uzsāktas endergoniskas reakcijas dažādu vielu sintēzei, kas nepieciešama ķermeņa dzīvības procesu nodrošināšanai. . Organisko vielu oksidācijas enerģija, kas pārveidota par ATP molekulu ķīmisko enerģiju, caur floēmu sistēmu tiek transportēta uz jebkuriem auga orgāniem un audiem un var tikt izmantota tajos biosintēzes procesu veikšanai, vielu un jonu intracelulārai transportēšanai, ierosina organisma aizsardzības reakcijas u.c.Ķīmiotrofiskajos organismos līdzīgi procesi, kas saistīti ar vielu oksidēšanu un to ķīmiskās enerģijas izmantošanu ATP un citu augstas enerģijas savienojumu sintēzei, kas pēc tam tiek iekļauti dažādos saistītos biosintēzes procesos.

Tādējādi redzam, ka jebkuru organismu dzīvības aktivitāte sastāv no diviem pretējiem procesiem - vielu sadalīšanās un ar to saistītās augstas enerģijas savienojumu sintēzes un biosintēzes procesiem kompleksu vielu veidošanās procesā, kas izmanto augstas enerģijas savienojumu enerģiju. Vielu sadalīšanās procesu, kura laikā notiek ogļhidrātu, tauku, olbaltumvielu un citu savienojumu molekulu fermentatīvā sadalīšanās vienkāršākās vielās un to tālāka oksidēšanās elpošanas reakcijās, sauc par katabolismu. Un pretēju sarežģītu vielu sintēzes procesu, ko pavada brīvās enerģijas uzsūkšanās, sauc par anabolismu. Abi šie procesi ir cieši saistīti viens ar otru ķermeņa metabolismā. Anaboliskajam procesam raksturīgo biosintētisko reakciju stiprināšanai vienmēr ir nepieciešama katabolisma aktivizēšana, kas atbrīvo ķīmisko enerģiju augstas enerģijas savienojumu sintēzei, kas nepieciešami kā bioenerģētiskie sakabes faktori anaboliskajās reakcijās. Augu organismu bioenerģētisko procesu vispārīgais virziens, tai skaitā katabolisma un anabolisma procesi, kā arī augstas enerģijas savienojumu sintēze un to izmantošana biosintētiskajās reakcijās, shematiski parādīts attēlā. 14.

Kā redzams no šīs diagrammas, lielas enerģijas savienojumiem un īpaši ATP ir liela nozīme bioenerģētisko procesu īstenošanā kā universālam enerģijas nesējam no kataboliskajiem uz anaboliskajiem procesiem. Ja nav augstas enerģijas savienojumu, tiek atvienoti anaboliskie un kataboliskie procesi, kas noved pie normālas ķermeņa darbības pārtraukšanas.

Pārskatiet jautājumus.

Kādas ir bioenerģijas sistēmu darbības iezīmes? 2. Kā noteikt bioķīmiskās sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas no reaģējošo vielu un reakcijas produktu sadegšanas siltuma? 3. Kā jūs novērtējat bioķīmiskās reakcijas termisko efektu, izmantojot termodinamisko funkciju, ko sauc par entalpiju? 4. Kā entropijas termodinamisko funkciju izmanto bioķīmisko pārvērtību virziena raksturošanai? 5. Pēc kādiem termodinamiskajiem kritērijiem var novērtēt eksergoniskās un endergoniskās reakcijas? 6. Ar kādiem aprēķiniem var noteikt brīvās enerģijas izmaiņas bioķīmisko reakciju laikā? 7. Kā tiek noteikts spontānas īstenošanas virziens un iespēja redoksreakcijās? 8. Kādas ir bioķīmisko reakciju pazīmes fizioloģiskā vidē? 9. Kādi termodinamiskie principi tiek īstenoti vielu konjugētās sintēzes laikā? 10. Kāda ir augstas enerģijas savienojumu bioloģiskā nozīme? 11. Kādi augstas enerģijas savienojumu veidi ir zināmi? 12. Kāda ir ATP kā universālākā augstas enerģijas savienojuma loma? 13. Kā notiek ATP sintēze dzīvos organismos? 14. Kāds ir bioenerģētisko procesu virziens augu organismā? 15. Kādas ir katabolisma procesu bioķīmiskās pazīmes?

Moduļa 6. nodaļas kopsavilkums.

Visu bioenerģētisko transformāciju kopumu organismā, nodrošinot tā normālu funkcionēšanu mainīgos vides apstākļos, pēta bioķīmijas nozare, ko sauc par bioķīmisko enerģiju. Lai novērtētu bioķīmisko reakciju enerģētiskos parametrus, tiek izmantotas termodinamiskās funkcijas - sistēmas iekšējā enerģija, entalpija, entropija, Gibsa brīvā enerģija uc Bioķīmiskās reakcijas tiek veiktas atvērtās sistēmās, kas apmainās ar vielām un enerģiju ar vidi. Vienkāršākā bioķīmiskā sistēma ietver reaģentus, reakcijas produktus un fermentu, kas katalizē šo reakciju. Sakarā ar to, ka bioķīmiskās reakcijas norit ļoti lielā ātrumā, un izmaiņas ārējā vidē notiek salīdzinoši lēni, bioķīmiskajā enerģētikā tiek pieņemts, ka visi procesi organismā notiek nemainīgā spiedienā un nemainīgā temperatūrā.

Sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas tiek definētas kā visu sistēmā ienākošo un izejošo enerģiju algebriskā summa. Entalpijas izmaiņas nosaka bioķīmisko reakciju termiskos efektus (pie H<О реакция экзотермическая, при Н>O – endotermisks). Entropijas izmaiņas bioķīmisko transformāciju laikā izmanto, lai aprēķinātu brīvās enerģijas izmaiņas. Spontānu reakciju laikā sistēmas brīvā enerģija samazinās (G<О), такие реакции называют экзергоническими. В ходе эндергонических реакций свободная энергия системы увеличивается (G>PAR).

Endergoniskās reakcijas var notikt spontāni, absorbējot enerģiju, kas izdalās eksergoniskā reakcijā, ar nosacījumu, ka šīs reakcijas notiek vienā un tajā pašā bioķīmiskajā sistēmā. Šādas reakcijas sauc par vielu sintēzes saistītajām reakcijām. Enerģijas izmantošanas koeficients vielu konjugāta sintēzes laikā ir 40-60%. Konjugētā eksergoniskā reakcijā vielas, ko sauc par augstas enerģijas savienojumiem, tiek pārveidotas. Šo vielu transformācijas laikā izdalās liels brīvās enerģijas daudzums (standarta apstākļos –30-60 kJ/mol). Augstas enerģijas savienojumi ir nukleozīdu polifosfāti (ATP, GTP, CTP, UTP utt.), acilfosfāti (1,3-difosfoglicerīnskābe, acetilfosfāts), enola fosfāti (fosfoenolpiruvskābe), tioesteri (acetilkoenzīms A, propionilkoenzīms A uc), amidīnfosfāti, imidazoli.

Augstas enerģijas savienojumi tiek sintezēti vielu sadalīšanās reakcijās, ko sauc par kataboliskajām reakcijām, un tiek izmantoti vielu sintēzei anabolisko reakciju laikā. Universāls augstas enerģijas savienojums ir adenozīntrifosforskābe (ATP), kas tiek sintezēta substrāta, fotosintēzes un oksidatīvās fosforilēšanās procesos. ATP koncentrācija ķermeņa šūnās tiek uzturēta noteiktā līmenī ar regulējošo sistēmu palīdzību.

Pārbaudes darbi 3. lekcijai. Ieskaites darbi Nr. 67-80.

Lekcija 4. Fermenti.

Anotācija.

Ir aprakstīta fermentu struktūra, īpašības un darbības mehānisms. Ir norādīti galvenie rādītāji, kas izsaka to katalītisko aktivitāti, kā arī fermentu aktivatori un inhibitori. Sniegta informācija par izoenzīmiem, enzīmu lokalizāciju un enzīmu sistēmu funkcionēšanas īpatnībām. Tiek aplūkoti konstitutīvo un inducējamo enzīmu regulēšanas mehānismi. Izskaidroti fermentu klasifikācijas principi un to darbības atkarība no dažādiem fizioloģiskiem apstākļiem.

Atslēgvārdi: enzīmi, fermenta katalītiskais (aktīvais) centrs, slēdzenes un atslēgas hipotēze, inducētās atbilstības hipotēze, koenzīmi, dzelzs-sēra proteīni, katals, enzīmu specifiskā un molārā aktivitāte, fermenta pussabrukšanas periods, izoenzīmi, Miķeļa konstante, fermentu aktivatori un inhibitori, konkurējoši un nekonkurējoši inhibitori, proteīna enzīmu inhibitori, multienzīmu sistēmas, konstitutīvie un inducējamie enzīmi, allosteriskie enzīmi, zimogēni (proenzīmi), enzīmu aktivitātes hormonālā regulēšana, oksidoreduktāzes, transferāzes, hidrolāzes, liāzes, izomerāzes, liāzes (sintetāzes).

Izskatāmie jautājumi.

Fermentu darbības mehānisms.

Divkomponentu enzīmu struktūra.

Fermentu katalītiskā aktivitāte.

Izoenzīmi.

Fermentu aktivitātes izmaiņas atkarībā no vides apstākļiem.

Fermentu lokalizācija.

Enzīmu reakciju regulēšana.

Fermentu klasifikācija.

Moduļu vienība 7. Fermenti.

Moduļu vienības studiju mērķi un uzdevumi. Pētīt fermentu uzbūvi, īpašības un darbības mehānismu, fermentatīvo reakciju regulēšanas īpatnības un enzīmu sistēmu darbību. Iemācīt studentiem izmantot informāciju par fermentiem, lai prognozētu bioķīmisko procesu intensitāti un virzienu augos, pamatojot lauksaimniecības kultūru audzēšanas tehnoloģijas.

Ir zināms, ka visiem ziedošajiem augiem ir šūnu struktūra un ka šūnu struktūra ir atkarīga no to veiktās funkcijas. Vienotā augu organismā visas šūnas, kas ir līdzīgas pēc uzbūves un funkcijām, veido audus, augu orgāni sastāv no audiem, un viens neatņemams organisms sastāv no orgāniem. Kā viņš dzīvo?

Vielmaiņa

Viena no galvenajām dzīves izpausmēm ir vielmaiņa jeb vielmaiņa (no grieķu “metabols” — pārmaiņas, transformācija). Augu organismos notiek ārējā vielmaiņa - vielu uzsūkšanās un izdalīšanās, bet iekšējais metabolisms - vielu pārveide šūnā. Ārējā apmaiņa var notikt ar enerģijas patēriņu vai bez tā. Iekšējā vielmaiņa sastāv no diviem savstarpēji saistītiem procesiem: asimilācijas un disimilācijas. Asimilācija (no latīņu “asimilācija” - lietojums) ir veidošanās process no vienkāršām un sarežģītākām vielām, no kurām tiek veidots augu ķermenis. Tas prasa enerģiju. Disimilācija ir sarežģītu vielu sadalīšanās process, no kura ķermenis tiek veidots vienkāršākos. Tas atbrīvo enerģiju.

Gāzu apmaiņa lapā notiek saskaņā ar difūzijas likumu (savstarpēja vielu iekļūšana). Dienas laikā, kad notiek fotosintēze, oglekļa dioksīda koncentrācija lapas iekšpusē samazinās, salīdzinot ar ārējo gaisu, jo tā tiek tērēta ogļhidrātu veidošanai. Tāpēc oglekļa dioksīds caur stomatu iekļūst sūkļveida audu starpšūnu telpās un no turienes šūnās. Tajā pašā laikā no lapām izdalās skābeklis, kas izdalās fotosintēzes laikā. Naktīs notiek apgrieztais process, proti: lapās palielinās ogļskābās gāzes daudzums un tas izdalās gaisā, un elpošanas process notiek intensīvi. Elpošana notiek visās dzīvajās šūnās dienu un nakti. Augs, tāpat kā cilvēks, elpo skābekli un izelpo oglekļa dioksīdu. Tomēr gaismā, kad notiek fotosintēze, augi absorbē vairāk oglekļa dioksīda, nekā izdala elpošanas laikā.

Zaļš augs. Foto: Bens Hoskings

Minerālu uzturs

Normālai dzīvei augiem nepieciešami ne tikai ogļhidrāti, kas veidojas fotosintēzes laikā, bet arī olbaltumvielas, tauki un citas vielas. To veidošanai augam papildus skābeklim un ūdeņradim (kas veido ogļhidrātus) nepieciešami citi ķīmiskie elementi.
Augs tos saņem no augsnes minerālvielu veidā, tāpēc augsne ir ne tikai biotops, bet arī minerālu barības avots augiem. No augsnes augs saņem tādus elementus kā kālijs, fosfors, slāpeklis un citi, kā arī mikroelementi: bors, kalcijs, magnijs, sērs, kobalts, mangāns, varš, cinks u.c.
Ja augsnē trūkst minerālsāļu, tos izmanto minerālmēslu veidā. Mēslošanas līdzekļi ir minerālmēsli: slāpeklis (nitrāts, urīnviela, amonija sulfāts), fosfors (superfosfāts) un kālijs (kālija hlorīds). Pelni tiek uzskatīti arī par kālija mēslojumu. Augsnei pievieno arī organisko mēslojumu. Tās ir organiskas izcelsmes vielas - kūtsmēsli, putnu mēsli, humuss, kūdra. Ir arī granulēti mēslošanas līdzekļi. Tos gatavo granulu (bumbiņu) veidā. Mēslojumu augsnē iestrādā pavasarī vai rudenī, kā arī augu augšanas laikā - mēslojot.

Augus var audzēt bez augsnes, izmantojot ūdens barības vielu maisījumus, ja tie satur visus augu barošanai nepieciešamos elementus. Šo augu audzēšanas metodi sauc par hidroponiku.
Ir arī aeroponika, kad augus audzē bez augsnes un saknes gaisā periodiski apsmidzina ar nelielām barības šķīduma pilieniņām.
Vielu transportēšana augā – šis process augā notiek augšupejošu un lejupejošu plūsmu veidā. Pārtrauktā bultiņa norāda uz augšup vērstu plūsmu, bet nepārtrauktā bultiņa norāda uz lejupejošu plūsmu.

Ūdens ar tajā izšķīdinātām vielām iekļūst augā caur sakņu matiņiem, tad pa sakni paceļas līdz kātam un gar stublāju uz lapām un citiem orgāniem (plūsma uz augšu). Vadošos audus, caur kuriem pārvietojas ūdens un minerālsāļi, sauc par ksilēmu, un tie atrodas stumbra koksnē.
Audus, caur kuriem pārvietojas lapā izveidotās vielas (plūsma uz leju), sauc par floēmu. Floēma atrodas garozā. Floēmas vadošās šūnas ir dzīvas un tiek sauktas par sieta caurulēm. Ksilēmas vadošās šūnas ir mirušas un tiek sauktas par traukiem.
Vielu kustība notiek sakņu spiediena un transpirācijas ietekmē. Sakņu spiediena ietekmē ūdens un minerālsāļu šķīdums caur sakņu matiņiem nonāk mizā un pēc tam ksilēma traukos. Šķīdums pa saknes traukiem paceļas uz stublāju un caur stumbra traukiem transpirācijas spēka ietekmē virzās uz augšu uz lapām.
Saņemot dzīvībai nepieciešamās vielas, augs aug, attīstās un vairojas.

Izaugsme un attīstība

Augs aug, kas nozīmē, ka organisms ir kustībā, jo šī procesa laikā notiek šūnu dalīšanās (dzīvās šūnās citoplazma ir nepārtrauktā kustībā). Pieaugot sakņu sistēmai, tā palielina minerālvielu barošanas zonu, un virszemes daļas augšana palielina gaisa barošanas zonu. Attiecības starp pazemes un virszemes daļām nodrošina auga kā neatņemama organisma dzīvību.

Augu augšana un attīstība ir cieši saistītas, taču viena otru neaizstāj. Šo procesu regulēšana tiek veikta šūnu līmenī. Augšanas procesi notiek ritmiski.
Augu attīstība ir tās kvalitatīvās izmaiņas, kas notiek augā visā tā dzīves laikā, sākot ar zigotas sadalīšanos. No tā veidojas embrijs ar rudimentāriem orgāniem, kas atrodas sēklā. Pēc sēklu dīgšanas no embrija veidojas augs, uz kura veidojas ziedi, notiek ziedēšana, apputeksnēšana un apaugļošanās, augļa un sēklu attīstība, to nobriešana un izkliede. Individuāla organisma attīstību no sēklas līdz sēklai, tas ir, no dzimšanas līdz nāvei, sauc par individuālu jeb ontoģenēzi (no grieķu “ontos” - būtne un “genio” - dzimšana). Organismu attīstību evolūcijas procesā, tas ir, vēsturiskās attīstības procesā, sauc par filoģenēzi.

Pavairošana

Reprodukcija ir jebkura dzīva organisma galvenā bioloģiskā funkcija. Dažos gadījumos augiem vairošanās beidz dzīves gaitu, piemēram, viengadīgajiem un tiem daudzgadīgajiem augiem, kas vienreiz mūžā nes augļus (bambuss, dažas palmas utt.). Citos gadījumos vairošanās notiek vairākas reizes (daudzgadīgie augi, koki un krūmi).
Katrs augs sāk vairoties noteiktā dzīves laikā. Un neatkarīgi no tā, vai vairošanās notiek ar sēklām vai veģetatīvu metodi, augi vairo paši savu veidu. Reprodukcijas metodes augos ir dažādas, taču tās var samazināt galvenokārt līdz trim: bezdzimuma, veģetatīvās un seksuālās.
Bezdzimuma reprodukcijā sava veida vairošanās notiek bez dzimumšūnu līdzdalības un bez apaugļošanās. Aseksuāla vairošanās ar sporu un veģetatīvo (augošo) ķermeņa daļu palīdzību ir raksturīga visiem augiem.

Kā jau minēts, augu dzīves ciklu raksturo divu paaudžu maiņa - seksuāla (haploīds, t.i., ar vienu hromosomu komplektu) un aseksuāla (diploīds, ar dubultu hromosomu komplektu).

Seksuālās reprodukcijas laikā augos parasti notiek paaudžu maiņa: vienā veidojas aseksuālās reprodukcijas orgāni un šūnas - tas ir sporofīts, bet, no otras puses, veidojas reproduktīvie orgāni un dzimumšūnas - tas ir gametofīts.
Pielāgojoties dzīvei uz zemes, sauszemes augi attīstījās pa sporofīta uzlabošanās (aseksuāla paaudze) un gametofīta samazināšanās (izmaiņas) (seksuālās paaudzes) ceļu. Gametofīts, kas ir ļoti jutīgs pret mitruma trūkumu, pakāpeniski samazinās, kas ļauj tam attīstīties ātrāk un tādējādi kļūt mazāk atkarīgam no ūdens.

Elpa

Dzīva šūna ir atvērta enerģijas sistēma, tā dzīvo un saglabā savu individualitāti, pateicoties pastāvīgai enerģijas plūsmai. Tiklīdz šis pieplūdums apstājas, notiek ķermeņa dezorganizācija un nāve. Fotosintēzes laikā organiskajās vielās uzkrātā saules gaismas enerģija atkal tiek atbrīvota un izmantota dažādiem dzīvības procesiem.
Ogļhidrātos uzkrātā gaismas kvantu enerģija atkal tiek atbrīvota to sabrukšanas (disimilācijas) procesā. Vispārīgākajā formā var atzīmēt, ka visas dzīvās šūnas iegūst enerģiju fermentatīvās reakcijās, kuru laikā elektroni pārvietojas no augstāka enerģijas līmeņa uz zemāku. Dabā notiek divi galvenie procesi, kuru laikā izdalās organiskajās vielās uzkrātā saules gaismas enerģija: elpošana un fermentācija. Elpošana ir organisko savienojumu aerobā oksidatīvā sadalīšanās vienkāršos, neorganiskos savienojumos, ko pavada enerģijas izdalīšanās. Fermentācija ir anaerobs organisko savienojumu sadalīšanās process vienkāršākos, ko pavada enerģijas izdalīšanās. Fermentācijas laikā savienojumu oksidācijas pakāpe nemainās. Elpošanas gadījumā elektronu akceptors ir skābeklis, fermentācijas gadījumā organiskie savienojumi. Enerģijas ciklā iekļautie procesi ir tik nozīmīgi, ka šobrīd ir radusies bioenerģētikas zinātne, kas pēta enerģijas transformācijas molekulāro un submolekulāro pamatu.

Elpošana ir viens no centrālajiem augu organisma vielmaiņas procesiem. Elpošanas laikā izdalītā enerģija tiek tērēta gan augšanas procesiem, gan jau pabeigušo augu orgānu aktīva stāvokļa uzturēšanai. Tomēr elpošanas nozīme neaprobežojas tikai ar to, ka tas ir process, kas piegādā enerģiju. Elpošana, tāpat kā fotosintēze, ir sarežģīts redoksprocess, kas notiek vairākos posmos. Tās starpposmos veidojas organiskie savienojumi, kurus pēc tam izmanto dažādās vielmaiņas reakcijās. Starpsavienojumi ietver organiskās skābes un pentozes, kas veidojas dažādos elpošanas ceļu sadalīšanās ceļos. Tādējādi elpošanas process ir daudzu metabolītu avots. Neskatoties uz to, ka kopējais elpošanas process ir pretējs fotosintēzei, dažos gadījumos tie var papildināt viens otru.

Visi dzīvie organismi, izņemot vīrusus, sastāv no šūnām. Tie nodrošina visus augu vai dzīvnieka dzīvībai nepieciešamos procesus. Pati šūna var būt atsevišķs organisms. Un kā tik sarežģīta struktūra var dzīvot bez enerģijas? Protams, nē. Tātad, kā šūnas iegūst enerģiju? Tas ir balstīts uz procesiem, kurus mēs aplūkosim tālāk.

Šūnu nodrošināšana ar enerģiju: kā tas notiek?

Tikai dažas šūnas saņem enerģiju no ārpuses, tās ražo pašas. ir unikālas "stacijas". Un enerģijas avots šūnā ir mitohondrijs, organelle, kas to ražo. Tajā notiek šūnu elpošanas process. Pateicoties tam, šūnas tiek nodrošinātas ar enerģiju. Tomēr tie ir sastopami tikai augos, dzīvniekos un sēnēs. Baktēriju šūnās mitohondriju nav. Tāpēc to šūnas tiek apgādātas ar enerģiju galvenokārt fermentācijas procesos, nevis elpojot.

Mitohondriju struktūra

Šī ir dubultmembrānas organelle, kas parādījās eikariotu šūnā evolūcijas procesā, absorbējot mazāku, ar to var izskaidrot faktu, ka mitohondrijās ir sava DNS un RNS, kā arī mitohondriju ribosomas, kas ražo. olbaltumvielas, kas nepieciešamas organellām.

Iekšējai membrānai ir izvirzījumi, ko sauc par kristām vai izciļņiem. Šūnu elpošanas process notiek uz kristām.

To, kas atrodas abās membrānās, sauc par matricu. Tas satur olbaltumvielas, fermentus, kas nepieciešami ķīmisko reakciju paātrināšanai, kā arī RNS, DNS un ribosomas.

Šūnu elpošana ir dzīvības pamats

Tas notiek trīs posmos. Apskatīsim katru no tiem sīkāk.

Pirmais posms ir sagatavošanās

Šajā posmā sarežģītie organiskie savienojumi tiek sadalīti vienkāršākos. Tādējādi olbaltumvielas sadalās aminoskābēs, tauki - karbonskābēs un glicerīnā, nukleīnskābes - nukleotīdos, bet ogļhidrāti - glikozē.

Glikolīze

Šis ir posms bez skābekļa. Tas slēpjas faktā, ka pirmajā posmā iegūtās vielas tiek tālāk sadalītas. Galvenie enerģijas avoti, ko šūna izmanto šajā posmā, ir glikozes molekulas. Katrs no tiem glikolīzes laikā sadalās divās piruvāta molekulās. Tas notiek desmit secīgu ķīmisku reakciju laikā. Pirmo piecu rezultātā glikoze tiek fosforilēta un pēc tam sadalīta divās fosfotriozēs. Nākamajās piecās reakcijās tiek iegūtas divas PVA (pirovīnskābes) molekulas un divas molekulas. Šūnas enerģija tiek uzkrāta ATP formā.

Visu glikolīzes procesu var vienkāršot šādi:

2NAD+ 2ADP + 2H3PO4 + C6H12O6 → 2H 2 O + 2NAD. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Tādējādi, izmantojot vienu glikozes molekulu, divas ADP molekulas un divas fosforskābes, šūna saņem divas ATP (enerģijas) molekulas un divas pirovīnskābes molekulas, kuras tā izmantos nākamajā darbībā.

Trešais posms ir oksidēšana

Šis posms notiek tikai skābekļa klātbūtnē. Šīs stadijas ķīmiskās reakcijas notiek mitohondrijās. Šī ir galvenā daļa, kuras laikā tiek atbrīvots visvairāk enerģijas. Šajā posmā, reaģējot ar skābekli, tas sadalās ūdenī un oglekļa dioksīdā. Turklāt veidojas 36 ATP molekulas. Tātad, mēs varam secināt, ka galvenie enerģijas avoti šūnā ir glikoze un pirovīnskābe.

Apkopojot visas ķīmiskās reakcijas un izlaižot detaļas, mēs varam izteikt visu šūnu elpošanas procesu ar vienu vienkāršotu vienādojumu:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38 ADP + 38 H 3 PO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

Tādējādi elpošanas laikā no vienas glikozes molekulas, sešām skābekļa molekulām, trīsdesmit astoņām ADP molekulām un tāda paša daudzuma fosforskābes šūna saņem 38 ATP molekulas, kuru veidā tiek uzkrāta enerģija.

Mitohondriju enzīmu daudzveidība

Šūna saņem enerģiju dzīvībai svarīgai darbībai, elpojot – oksidējoties glikozei un pēc tam pirovīnskābei. Visas šīs ķīmiskās reakcijas nevarētu notikt bez fermentiem – bioloģiskiem katalizatoriem. Apskatīsim tos, kas atrodas mitohondrijās, organellās, kas ir atbildīgas par šūnu elpošanu. Tās visas sauc par oksidoreduktāzēm, jo ​​tās ir nepieciešamas, lai nodrošinātu redoksreakciju rašanos.

Visas oksidoreduktāzes var iedalīt divās grupās:

• oksidāzes;
• dehidrogenāze;

Dehidrogenāzes savukārt iedala aerobās un anaerobās. Aerobikas satur koenzīmu riboflavīnu, ko organisms saņem no B2 vitamīna. Aerobās dehidrogenāzes satur NAD un NADP molekulas kā koenzīmus.

Oksidāzes ir daudzveidīgākas. Pirmkārt, tie ir sadalīti divās grupās:

• tie, kas satur varu;
• tie, kas satur dzelzi.

Pirmie ietver polifenoloksidāzes un askorbāta oksidāzi, pēdējie ietver katalāzi, peroksidāzi un citohromus. Savukārt pēdējie ir iedalīti četrās grupās:

• citohromi a;
• citohromi b;
• citohromi c;
• citohromi d.

Citohromi a satur dzelzs formilporfirīnu, citohromi b - dzelzs protoporfirīnu, c - aizvietoto dzelzs mezoporfirīnu, d - dzelzs dihidroporfirīnu.

Vai ir citi veidi, kā iegūt enerģiju?

Lai gan lielākā daļa šūnu to iegūst caur šūnu elpošanu, ir arī anaerobās baktērijas, kurām nav nepieciešams skābeklis. Tie ražo nepieciešamo enerģiju fermentācijas ceļā. Tas ir process, kura laikā ar enzīmu palīdzību bez skābekļa līdzdalības tiek sadalīti ogļhidrāti, kā rezultātā šūna saņem enerģiju. Ir vairāki fermentācijas veidi atkarībā no ķīmisko reakciju galaprodukta. Tas var būt pienskābe, spirts, sviestskābe, acetons-butāns, citronskābe.

Piemēram, apsveriet, ka To var izteikt ar šādu vienādojumu:

C6H12O6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Tas nozīmē, ka baktērija sadala vienu glikozes molekulu vienā etilspirta molekulā un divās oglekļa oksīda (IV) molekulās.

Metabolisms (vielmaiņa)- tas ir visu ķīmisko reakciju kopums, kas notiek organismā. Visas šīs reakcijas ir sadalītas 2 grupās

1. Plastmasas apmaiņa(asimilācija, anabolisms, biosintēze) - tas ir tad, kad no vienkāršām vielām ar enerģijas patēriņu veidojas (sintezējas) sarežģītāka. Piemērs:

• Fotosintēzes laikā glikoze tiek sintezēta no oglekļa dioksīda un ūdens.

2. Enerģijas vielmaiņa(disimilācija, katabolisms, elpošana) - tas ir tad, kad sarežģītas vielas sadalīties (oksidēt) uz vienkāršākiem, un tajā pašā laikā enerģija tiek atbrīvota, nepieciešama dzīvei. Piemērs:

• Mitohondrijās glikozi, aminoskābes un taukskābes oksidē skābeklis līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim, kas ražo enerģiju (šūnu elpošana)

Plastmasas un enerģijas metabolisma attiecības

• Plastiskā vielmaiņa nodrošina šūnu ar sarežģītām organiskām vielām (olbaltumvielām, taukiem, ogļhidrātiem, nukleīnskābēm), tostarp enzīmu proteīniem enerģijas metabolismam.
• Enerģijas metabolisms nodrošina šūnu ar enerģiju. Veicot darbu (garīgo, muskuļu u.c.), pastiprinās enerģijas vielmaiņa.

ATP– šūnas universālā enerģētiskā viela (universālais enerģijas akumulators). Veidojas enerģijas metabolisma (organisko vielu oksidēšanās) procesā.

• Enerģijas metabolisma laikā visas vielas sadalās, un tiek sintezēts ATP. Šajā gadījumā sadalīto komplekso vielu ķīmisko saišu enerģija tiek pārvērsta ATP enerģijā, enerģija tiek uzkrāta ATP.
• Plastmasas vielmaiņas laikā tiek sintezētas visas vielas, un ATP sadalās. Kurā Tiek patērēta ATP enerģija(ATP enerģija tiek pārvērsta sarežģītu vielu ķīmisko saišu enerģijā un tiek uzkrāta šajās vielās).

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Plastmasas apmaiņas procesa laikā
1) sarežģītāki ogļhidrāti tiek sintezēti no mazāk sarežģītiem
2) tauki tiek pārvērsti glicerīnā un taukskābēs
3) olbaltumvielas tiek oksidētas, veidojot oglekļa dioksīdu, ūdeni un slāpekli saturošas vielas
4) tiek atbrīvota enerģija un tiek sintezēts ATP

Atbilde

Izvēlieties trīs iespējas. Kā plastmasas vielmaiņa atšķiras no enerģijas metabolisma?
1) enerģija tiek uzkrāta ATP molekulās
2) tiek patērēta ATP molekulās uzkrātā enerģija
3) tiek sintezētas organiskās vielas
4) tiek sadalītas organiskās vielas
5) vielmaiņas galaprodukti - oglekļa dioksīds un ūdens
6) apmaiņas reakciju rezultātā veidojas olbaltumvielas

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Plastmasas vielmaiņas procesā šūnās tiek sintezētas molekulas
1) olbaltumvielas
2) ūdens
3) ATP
4) neorganiskās vielas

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Kāda ir saistība starp plastmasu un enerģijas metabolismu?
1) plastmasas vielmaiņa nodrošina organiskās vielas enerģijai
2) enerģijas metabolisms piegādā plastmasai skābekli
3) plastmasas vielmaiņa piegādā minerālvielas enerģijai
4) plastmasas vielmaiņa piegādā ATP molekulas enerģijai

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Enerģijas vielmaiņas procesā, atšķirībā no plastmasas, ir
1) ATP molekulās esošās enerģijas patēriņš
2) enerģijas uzkrāšana ATP molekulu augstas enerģijas saitēs
3) nodrošināt šūnas ar olbaltumvielām un lipīdiem
4) šūnu nodrošināšana ar ogļhidrātiem un nukleīnskābēm

Atbilde

1. Izveidot atbilstību starp apmaiņas raksturlielumiem un tās veidu: 1) plastiskā, 2) enerģētiskā. Ierakstiet ciparus 1 un 2 pareizā secībā.
A) organisko vielu oksidēšana
B) polimēru veidošanās no monomēriem
B) ATP sadalījums
D) enerģijas uzkrāšana šūnā
D) DNS replikācija
E) oksidatīvā fosforilēšana

Atbilde

2. Izveidot atbilstību starp vielmaiņas raksturlielumiem šūnā un tās veidu: 1) enerģija, 2) plastika. Ierakstiet ciparus 1 un 2 burtiem atbilstošā secībā.
A) notiek glikozes sadalīšanās bez skābekļa
B) rodas uz ribosomām, hloroplastos
B) vielmaiņas galaprodukti - oglekļa dioksīds un ūdens
D) tiek sintezētas organiskās vielas
D) tiek izmantota ATP molekulās esošā enerģija
E) enerģija tiek atbrīvota un uzkrāta ATP molekulās

Atbilde

3. Izveidot atbilstību starp cilvēka vielmaiņas pazīmēm un tā veidiem: 1) plastisko vielmaiņu, 2) enerģijas metabolismu. Ierakstiet ciparus 1 un 2 pareizā secībā.
A) vielas tiek oksidētas
B) tiek sintezētas vielas
B) enerģija tiek uzkrāta ATP molekulās
D) tiek patērēta enerģija
D) procesā ir iesaistītas ribosomas
E) procesā ir iesaistīti mitohondriji

Atbilde

4. Izveidot atbilstību starp vielmaiņas raksturlielumiem un tā veidu: 1) enerģisks, 2) plastisks. Ierakstiet ciparus 1 un 2 burtiem atbilstošā secībā.
A) DNS replikācija
B) proteīnu biosintēze
B) organisko vielu oksidēšana
D) transkripcija
D) ATP sintēze
E) ķīmiskā sintēze

Atbilde

5. Izveidot atbilstību starp raksturlielumiem un apmaiņas veidiem: 1) plastmasa, 2) enerģija. Ierakstiet ciparus 1 un 2 burtiem atbilstošā secībā.
A) enerģija tiek uzkrāta ATP molekulās
B) tiek sintezēti biopolimēri
B) veidojas oglekļa dioksīds un ūdens
D) notiek oksidatīvā fosforilēšanās
D) Notiek DNS replikācija

Atbilde

Izvēlieties trīs procesus, kas saistīti ar enerģijas metabolismu.
1) skābekļa izdalīšanās atmosfērā
2) oglekļa dioksīda, ūdens, urīnvielas veidošanās
3) oksidatīvā fosforilēšana
4) glikozes sintēze
5) glikolīze
6) ūdens fotolīze

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Muskuļu kontrakcijai nepieciešamā enerģija tiek atbrīvota, kad
1) organisko vielu sadalīšanās gremošanas orgānos
2) muskuļa kairinājums ar nervu impulsiem
3) organisko vielu oksidēšanās muskuļos
4) ATP sintēze

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Kāda procesa rezultātā šūnā tiek sintezēti lipīdi?
1) disimilācija
2) bioloģiskā oksidēšana
3) plastmasas apmaiņa
4) glikolīze

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Plastmasas vielmaiņas nozīme ir organisma apgādībā
1) minerālsāļi
2) skābeklis
3) biopolimēri
4) enerģija

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Organisko vielu oksidēšanās cilvēka organismā notiek
1) plaušu burbuļi elpošanas laikā
2) ķermeņa šūnas plastmasas vielmaiņas procesā
3) pārtikas sagremošanas process gremošanas traktā
4) ķermeņa šūnas enerģijas metabolisma procesā

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Kādas vielmaiņas reakcijas šūnā pavada enerģijas patēriņš?
1) enerģijas metabolisma sagatavošanās posms
2) pienskābā fermentācija
3) organisko vielu oksidēšanās
4) plastmasas apmaiņa

Atbilde

1. Izveidot atbilstību starp metabolisma procesiem un komponentiem: 1) anabolismu (asimilāciju), 2) katabolismu (disimilāciju). Ierakstiet ciparus 1 un 2 pareizā secībā.
A) fermentācija
B) glikolīze
B) elpošana
D) proteīnu sintēze
D) fotosintēze
E) ķīmiskā sintēze

Atbilde

2. Izveidot atbilstību starp raksturlielumiem un vielmaiņas procesiem: 1) asimilācija (anabolisms), 2) disimilācija (katabolisms). Ierakstiet ciparus 1 un 2 burtiem atbilstošā secībā.
A) organisko vielu sintēze organismā
B) ietver sagatavošanās posmu, glikolīzi un oksidatīvo fosforilāciju
C) atbrīvotā enerģija tiek uzkrāta ATP
D) veidojas ūdens un oglekļa dioksīds
D) prasa enerģijas patēriņu
E) sastopams hloroplastos un ribosomās

Atbilde

Izvēlieties divas pareizās atbildes no piecām un pierakstiet ciparus, zem kuriem tās norādītas. Metabolisms ir viena no galvenajām dzīvo sistēmu īpašībām, to raksturo tas, kas notiek
1) selektīva reakcija uz ārējās vides ietekmi
2) fizioloģisko procesu un funkciju intensitātes izmaiņas ar dažādiem svārstību periodiem
3) zīmju un īpašību nodošana no paaudzes paaudzē
4) nepieciešamo vielu uzsūkšana un atkritumu izdalīšanās
5) relatīvi nemainīga iekšējās vides fizikālā un ķīmiskā sastāva uzturēšana

Atbilde

1. Visi tālāk minētie termini, izņemot divus, tiek izmantoti, lai aprakstītu plastmasas apmaiņu. Norādiet divus terminus, kas “izkrīt” no vispārējā saraksta, un pierakstiet ciparus, zem kuriem tie ir norādīti.
1) replikācija
2) dublēšanās
3) pārraide
4) translokācija
5) transkripcija

Atbilde

2. Visi tālāk uzskaitītie jēdzieni, izņemot divus, tiek izmantoti, lai aprakstītu plastisko metabolismu šūnā. Norādiet divus jēdzienus, kas “izkrīt” no vispārējā saraksta, un pierakstiet ciparus, zem kuriem tie ir norādīti.
1) asimilācija
2) disimilācija
3) glikolīze
4) transkripcija
5) pārraide

Atbilde

3. Tālāk uzskaitītie termini, izņemot divus, tiek izmantoti, lai raksturotu plastmasas apmaiņu. Norādiet divus terminus, kas trūkst vispārējā sarakstā, un pierakstiet ciparus, zem kuriem tie ir norādīti.
1) sadalīšana
2) oksidēšana
3) replikācija
4) transkripcija
5) ķīmiskā sintēze

Atbilde

Izvēlieties vienu, vispareizāko variantu. Sastāvā ir iekļauti slāpekļa bāzes adenīns, riboze un trīs fosforskābes atlikumi
1) DNS
2) RNS
3) ATP
4) vāvere

Atbilde

Visas zemāk minētās pazīmes, izņemot divas, var izmantot, lai raksturotu enerģijas metabolismu šūnā. Norādiet divus raksturlielumus, kas “izkrīt” no vispārējā saraksta, un pierakstiet ciparus, ar kuriem tie norādīti jūsu atbildē.
1) nāk ar enerģijas absorbciju
2) beidzas mitohondrijās
3) beidzas ribosomās
4) kopā ar ATP molekulu sintēzi
5) beidzas ar oglekļa dioksīda veidošanos

Atbilde

Dotajā tekstā atrodiet trīs kļūdas. Norādiet to priekšlikumu numurus, kuros tie ir izteikti.(1) Metabolisms jeb vielmaiņa ir šūnu un ķermeņa vielu sintēzes un sadalīšanās reakciju kopums, kas saistīts ar enerģijas izdalīšanos vai absorbciju. (2) Reakciju kopumu lielmolekulāro organisko savienojumu sintēzei no mazmolekulāriem savienojumiem sauc par plastisko apmaiņu. (3) ATP molekulas tiek sintezētas plastmasas apmaiņas reakcijās. (4) Fotosintēzi klasificē kā enerģijas metabolismu. (5) Ķīmijsintēzes rezultātā, izmantojot Saules enerģiju, no neorganiskajām tiek sintezētas organiskās vielas.

Atbilde

© D.V. Pozdņakovs, 2009-2019